DE102016120595A1

DE102016120595A1 - Zerspanungswerkzeug

Info

Publication number: DE102016120595A1
Application number: DE102016120595.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bierl; Rico Schneider
Original assignee: Komet Group GmbH
Current assignee: Komet Group GmbH
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03
Also published as: ES2834673T3; HUE051383T2; US11110523B2; EP3532226A1; JP7015832B2; JP2020500721A; EP3532226B1; US20190247935A1; WO2018077495A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug zum Einsatz in Werkzeugmaschinen für rotierende Schneidvorgänge mit einem um eine Mittelachse (12) rotierbaren, in deren Richtung langgestreckten Grundkörper (14), mindestens einem an dem Grundkörper (14) fixierten Schneidelement (16,18) und mindestens einem längs des Grundkörpers (14) außerhalb der Mittelachse (12) sich erstreckenden, durch einen von der Mittelachse (12) durchsetzen Kern (38) des Grundkörpers (14) nach innen begrenzten Spanabfuhrkanal (24). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Spanabfuhrkanal (24) zumindest über einen Längsabschnitt durch eine an den Kern (38) anschließende äußere Spanraumwand (22) nach außen abgeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug zum Einsatz in Werkzeugmaschinen für rotierende Schneidvorgänge, insbesondere Vollbohrwerkzeug, Aufbohrwerkzeug oder Reibwerkzeug, mit einem um eine Mittelachse rotierbaren, in deren Richtung langgestreckten Grundkörper, mindestens einem an dem Grundkörper fixierten Schneidelement und mindestens einem längs des Grundkörpers außerhalb der Mittelachse sich erstreckenden, durch einen von der Mittelachse durchsetzen Kern des Grundkörpers nach innen begrenzten Spanabfuhrkanal.
Bei konventionellen Zerspanungswerkzeugen, z.B. Vollbohrer, Aufbohrer, Senkwerkzeuge und Reibwerkzeuge, sind die Spannuten radial nach außen hin geöffnet. Bedingt durch die Fliehkraft werden die Späne gegen die Bohrungswandung geschleudert und können diese beschädigen und/oder in Aussparungen des Bauteils verbleiben. Weiterhin wird durch die geöffneten Spanräume die Stabilität des Grundkörpers verringert. Grundsätzlich können durch Fräsbearbeitung keine geschlossenen Spanräume, welche zudem verdrallt sind, hergestellt werden. Allenfalls können sehr kurze Werkzeuge realisiert werden, jedoch ist deren Kontur abhängig von vorhanden Bearbeitungswerkzeugen. Längere Werkzeuge könnten durch Bohren hergestellt werden, jedoch kann hier keine Verdrallung der Spanräume erreicht werden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Zerspanungswerkzeuge zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile weiter zu verbessern und eine erhöhte Stabilität sowie eine variable Querschnittsgeometrie insbesondere zur gezielten Ausleitung von Spänen und generell zur Erreichung einer hohen Fertigungsqualität zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht davon aus, zumindest einen Axialabschnitt des Spanabfuhrkanals ringsum zu begrenzen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Spanabfuhrkanal zumindest über einen Längsabschnitt ringsum durch eine an den Kern anschließende äußere Spanraumwand radial nach außen abgeschlossen ist. Durch den im Querschnitt geschlossenen Spanabfuhrkanal wird die Steifigkeit des Grundkörpers erhöht. Zugleich wird vermieden, dass Späne ungezielt aus dem Spanabfuhrkanal austreten und die Fertigungsqualität beeinträchtigen.
Vorteilhafterweise bildet die äußere Spanraumwand einen Teil eines um die Mittelachse geschlossen umlaufenden Außenmantels des Grundkörpers, so dass ein insgesamt homogener Werkzeugkörper erreicht wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die äußere Spanraumwand aus einem Pulvermaterial durch ein additives Fertigungsverfahren insbesondere durch selektives Laserschmelzen gebildet. Dabei ergeben sich aufgrund der additiven Fertigung Freiheiten in der Gestaltung des Spanraums, die durch abtragende Fertigungsverfahren nicht erreichbar sind. Größe und Form des Spanraums lassen sich variabel anpassen, um eine optimierte Spangeometrie und Entspanung zu erzielen. Insbesondere lassen sich unterschiedliche Steigungen der Spanräume sowie veränderbare Steigungen innerhalb des Spanraumes einfach realisieren. Diese Möglichkeiten umfassen Querschnittsveränderungen über die Länge des Werkzeuges, wobei auch relativ lange Werkzeuge machbar sind.
In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn die äußere Spanraumwand und zumindest ein Teil des Kerns als einstückiges Bauteil additiv gebildet sind.
Zur weiteren funktionellen Anpassung ist es von Vorteil, wenn die äußere Spanraumwand in Umfangsrichtung gesehen eine variierende Wandstärke aufweist.
Für eine optimierte Spanabfuhr ist es möglich, dass der Spanabfuhrkanal längs des Grundkörpers ggf. mit veränderlicher Steigung gewendelt oder gedrallt verläuft.
Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass der Spanabfuhrkanal in seinem Verlauf eine veränderliche Querschnittsgröße besitzt.
Um die Spanausleitung zu unterstützen und Blockaden zu vermeiden ist es denkbar, dass der Spanabfuhrkanal eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform besitzt.
Im Hinblick auf unterschiedlich angeordnete Schneidelemente kann es auch von Vorteil sein, wenn in dem Grundkörper mehrere Spanabfuhrkanäle mit voneinander unterschiedlichem Verlauf, insbesondere mit voneinander unterschiedlicher Steigung angeordnet sind.
Um den Spaneinlauf nicht zu behindern, ist es vorteilhaft, wenn das Schneidelement im Bereich einer nach außen offenen Spanleitkontur eines zugeordneten Spanabfuhrkanals angeordnet ist.
Günstig ist es auch, wenn der Spanabfuhrkanal einen von der äußeren Spanraumwand freigehaltenen Spanauslauf aufweist.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass durch den Kern mindestens ein Kühlmittelkanal hindurchgeführt ist.
Um die Kühlmittelführung an die Werkzeuggeometrie und insbesondere an den Verlauf der Spanräume anzupassen, ist es von Vorteil, wenn der Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise räumlich gekrümmt verläuft.
Zur Optimierung des Kühlschmierstoffeinsatzes und zur Vermeidung von strukturellen Schwächungen beispielsweise im Bereich von Klemmschrauben ist es günstig, wenn der Kühlmittelkanal in einem Endabschnitt auf mehrere Auslassbohrungen verzweigt ist.
Grundsätzlich ist es möglich, dass das Schneidelement durch Löten, Kleben, Klemmen, Schrauben oder Sintern direkt mit dem Grundkörper verbunden ist oder mittelbar über eine Kassette an dem Grundkörper gehalten ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Maschinenbohrwerkzeug zum Vollbohren mit radial geschlossenen Spanabfuhrkanälen in Seitenansicht;
2 einen Schnitt in der Linie 2 - 2 der 1;
3 das Maschinenbohrwerkzeug nach 1 um 90° gedreht in Seitenansicht;
4 eine vordere Stirnansicht des Maschinenbohrwerkzeugs;
5 einen Radialschnitt entlang der Linie 5 - 5 der 1.

Das in der Zeichnung dargestellte Bohrwerkzeug 10 umfasst einen um eine Mittelachse 12 rotierbaren und in deren Richtung langgestreckten Grundkörper 14, zwei am vorderen Stirnende des Grundkörpers 14 im Winkelabstand von 180° und radial versetzt zueinander fixierte Schneidelemente 16, 18, denen jeweils ein durch eine äußere Spanraumwand 22 radial nach außen geschlossener Spanabfuhrkanal 24 in dem Grundkörper 14 nachgeordnet ist.
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich, besitzt der Grundkörper 14 an seinem rückseitigen Abschnitt ein zum Einspannen in die Spindel einer Werkzeugmaschine geeignetes Spannteil 26, zum Beispiel eine ABS-Schnittstelle. Damit lässt sich das Bohrwerkzeug 10 um seine Mittelachse 12 rotierend antreiben und zugleich unter Vorschub in Richtung der Mittelachse 12 bewegen.
Der Grundkörper 14 ist zumindest in seinem außen zylindrischen vorderen Schaftteil 28 als Stahlformteil einschließlich der äußeren Spanraumwand 22 additiv bzw. generativ aufgebaut, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen. Bei diesem 3D-Formgebungsverfahren wird auf einer Bauplattform eine dünne Schicht eines Pulvermaterials aufgebracht. Sodann wird das Pulvermaterial mittels eines Lasers lokal umgeschmolzen, so dass sich nach dem Erstarren eine feste Materialschicht bildet. Ist das Material erstarrt, wird die Bauplattform entsprechend der Schichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Auf diese Weise können Werkzeuge oder Formen entfallen, wobei der Formling mit großer Geometriefreiheit herstellbar ist. Das selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) ist somit ein additiver Prozess im Gegensatz zu einer konventionellen subtraktiven zerspanenden Fertigung.
Die Schneidelemente 16, 18 besitzen jeweils eine Stirnschneide, die im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse 12 verläuft. In der gezeigten Ausführung sind die Schneidelemente 16, 18 als Wendeschneidplatten mittels einer Befestigungsschraube 30 in jeweiligen Plattensitzen fixiert. Sie können aber auch als PKD-Schneiden auf den Grundkörper 14 aufgelötet sein.
Wie auch aus 4 ersichtlich, schließt sich an die Schneidelemente 16, 18 eine stirnseitig offene Spanleitkontur 32 an, die die abgetragenen Späne in den jeweiligen Spanabfuhrkanal 24 einleitet. An seinem rückwärtigen Ende weisen die Spanabfuhrkanäle einen von der äußeren Spanraumwand 22 freigehaltenen Spanauslauf 34 auf. Dieser befindet sich in einem nach hinten sich erweiternden Konusabschnitt 36 des Grundkörpers 14.
Wie am besten aus 5 ersichtlich, besitzt der Grundkörper 14 einen von der Mittelachse 12 durchsetzten stegartigen Kern 38, der sich zu den Spanraumwänden 22 hin radial nach außen erweitert. Der Kern 38 begrenzt somit mit seinen beiden Seitenwänden 40 die Spanabfuhrkanäle 24 nach innen, während die einstückig angeformten äußeren Spanraumwände 22 die Spanabfuhrkanäle 24 radial nach außen abschließen. Dabei wird eine von der Kreisform abweichende, etwa elliptische Querschnittsfläche für die Spanabfuhr freigehalten.
Wie aus 5 auch ersichtlich, besitzen die äußeren Spanraumwände 22 eine veränderliche Wandstärke bei teilzylindrischer Außenkontur, die sich an die Außenseite des Kerns 38 flächenbündig anschließt, so dass der Grundkörper 14 von einem um die Mittelachse 12 geschlossen umlaufenden Außenmantel 42 umfasst wird. Die Spanabfuhrkanäle 24 sind damit ringsum vollständig geschlossen. Dadurch können die erzeugten Späne nicht in Freiräume des Werkstücks bzw. an Bohrungswände des Bauteils gelangen und werden vollständig zum offenen Spanauslauf 34 geleitet und dort entfernt von dem Werkstück nach außen abtransportiert.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Spanabfuhrkanäle 24 außerhalb der Mittelachse 12 geradlinig durch den Grundkörper 14. Um für einen optimierten Spanfluss zu sorgen, ist es aufgrund der additiven Bauweise auch möglich, dass die Spanabfuhrkanäle 24 ihrer in Größe und/oder Form an eine optimierte Spangeometrie und Entspanung variabel angepasst sind, beispielsweise eine entgegen der Vorschubrichtung nach hinten zunehmende Querschnittsgröße besitzen und ggf. mit veränderlicher Steigung gewendelt sind. Dabei sind auch voneinander unterschiedliche Steigungen der Spanräume sowie veränderbare Steigungen innerhalb des jeweiligen Spanraumes denkbar.
In den 3 und 5 sind zwei Kühlmittelkanäle 44 gezeigt, die durch eine Wandpartie des Kerns 38 hindurchgeführt sind und dabei zur optimierten Steifigkeit des Werkzeugs angepasst einem räumlich gekrümmten Verlauf folgen. Die Kühlmittelkanäle 44 verzweigen sich zu mehreren Auslassbohrungen 46, 48. Wie aus 2 ersichtlich, wird das Kühlmittel bzw. der Kühlschmierstoff von der Rückseite des Werkzeugs 10 her über einen zentralen Zuführkanal 50 in dem Grundkörper 12 eingespeist. Von dort verlaufen gekrümmte Abzweigungen 52 zu dem jeweiligen Kühlmittelkanal 44 hin. Eine solche geometrisch komplexe Formgebung der Kühlmittelführung ist praktisch nur durch das additive Fertigungsverfahren möglich.

Claims

Zerspanungswerkzeug zum Einsatz in Werkzeugmaschinen für rotierende Schneidvorgänge, insbesondere Vollbohrwerkzeug, Aufbohrwerkzeug oder Reibwerkzeug, mit einem um eine Mittelachse (12) rotierbaren, in deren Richtung langgestreckten Grundkörper (14), mindestens einem an dem Grundkörper (14) fixierten Schneidelement (16,18) und mindestens einem längs des Grundkörpers (14) außerhalb der Mittelachse (12) sich erstreckenden, durch einen von der Mittelachse (12) durchsetzen Kern (38) des Grundkörpers (14) nach innen begrenzten Spanabfuhrkanal (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Spanabfuhrkanal (24) zumindest über einen Längsabschnitt durch eine an den Kern (38) anschließende äußere Spanraumwand (22) nach außen abgeschlossen ist.
Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spanraumwand (22) einen Teil eines um die Mittelachse (12) geschlossen umlaufenden Außenmantels (42) des Grundkörpers (14) bildet.
Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spanraumwand (22) aus einem Pulvermaterial durch ein additives Fertigungsverfahren insbesondere durch selektives Laserschmelzen gebildet ist.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spanraumwand (22) und zumindest ein Teil des Kerns (38) als einstückiges Bauteil additiv gebildet sind.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Spanraumwand (22) in Umfangsrichtung gesehen eine variierende Wandstärke aufweist.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanabfuhrkanal (24) längs des Grundkörpers (14) gegebenenfalls mit veränderlicher Steigung gewendelt oder gedrallt verläuft.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanabfuhrkanal (24) in seinem Verlauf eine veränderliche Querschnittsgröße besitzt.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanabfuhrkanal (24) eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform besitzt.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (14) mehrere Spanabfuhrkanäle (24) mit voneinander unterschiedlichem Verlauf, insbesondere mit voneinander unterschiedlicher Steigung angeordnet sind.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (16,18) im Bereich einer nach außen offenen Spanleitkontur (32) eines zugeordneten Spanabfuhrkanals (24) angeordnet ist.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanabfuhrkanal (24) einen von der äußeren Spanraumwand (22) freigehaltenen Spanauslauf (34) aufweist.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kern (38) mindestens ein Kühlmittelkanal (44) hindurchgeführt ist.
Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (44) zumindest abschnittsweise räumlich gekrümmt verläuft.
Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (44) in einem Endabschnitt auf mehrere Auslassbohrungen (46,48) verzweigt ist.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (16,18) durch Löten, Kleben, Klemmen, Schrauben oder Sintern direkt mit dem Grundkörper (14) verbunden ist oder mittelbar über eine Kassette an dem Grundkörper (14) gehalten ist.